李 琳，張 華，岳春雷，李賀鵬，王 珺，楊 樂

（1.浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023）

隨著生活污水和工農(nóng)業(yè)污水的大量排放，河流、湖泊和海灣等水體的富營養(yǎng)化程度逐漸加重，導致了藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡[1-2]。水體富營養(yǎng)化嚴重破壞了水體的生態(tài)平衡，使水體環(huán)境日益惡化[3]。國內(nèi)外學者經(jīng)過研究，認為植物修復技術能有效的治理富營養(yǎng)化水體，具有低成本、高效益的優(yōu)勢。植物不僅可以通過吸附、沉降等物理作用凈化水質(zhì)，而且對水體中富營養(yǎng)化的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)有很強的吸收能力，轉化為自身物質(zhì)的同時，還能調(diào)節(jié)水生生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)速度，抑制藻類繁殖，能夠在一定程度上改善水體環(huán)境[4-5]。

沉水植物是植物修復技術中重要的凈化材料，是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過自身的代謝和微生物的共同作用吸收富營養(yǎng)化水體中的氮、磷等有害物質(zhì)，同時抵制低等藻類的生長[6-7]?？紫辇埖萚8]研究表明苦草屬Vallisneria的植物對水體中氮、磷具有較強的凈化能力。任文君等[9]研究了蓖齒眼子菜Potamogeton pectinatus，竹葉眼子菜P.wrightii，金魚藻Ceratophyllum demersum和黑藻Hydrilla verticillata4 種植物對白洋淀富營養(yǎng)化水體的凈化效果，其中，黑藻的除磷效果最佳，金魚藻的除氮效果最優(yōu)。劉丹丹等[10]研究表明伊樂藻Elodea canadensis具有較強的吸收富集能力。當前，有關沉水植物在凈化污水中的作用已被實驗和實踐證明，而且研究還發(fā)現(xiàn)多種植物的合理搭配組合能夠提高氮和磷的去除效率，并發(fā)揮其最大凈化潛力[11]。因此，本文選取了4 種凈化效果較強的沉水植物，密刺苦草Vallisneria denseserrulata，金魚藻，黑藻和伊樂藻，構建了11種組合模式，通過室內(nèi)靜水實驗，研究不同組合對污水中總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）和高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）等的凈化效果，旨在優(yōu)化水環(huán)境中的植物配置，以期為富營養(yǎng)化水體中植物的選擇應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年5 月10-13 日，在浙江工業(yè)大學屏峰校區(qū)的上埠河采集密刺苦草、金魚藻和黑藻，伊樂藻從杭州蕭山苗木公司購得，將這4 種沉水植物作為研究對象。實驗用于固定根系的漁網(wǎng)和石頭用自來水浸泡并用蒸餾水沖洗干凈后晾干待用。

1.2 試驗方法

2019 年5 月中旬在浙江省林業(yè)科學研究院試驗大棚內(nèi)將供試的沉水植物用自來水進行預培養(yǎng)，使其適應生長環(huán)境。然后選擇生長良好、莖葉完整及性狀一致的植株，將其清洗干凈并用海綿吸去多余的水分后稱量，然后按照表1 的11 種組合方式（A1～ C1）種植在60 L 圓底白色聚乙烯塑料桶內(nèi)，每種組合設置3 組重復，另設一組對照（CK）只放置漁網(wǎng)和石頭，無植物。實驗用水采用人工配水，碳源由葡萄糖提供，氮源由氯化銨、硝酸鉀提供，磷由磷酸二氫鉀提供，微量元素由氯化鈣、硫酸錳、硫酸鎂、氯化鐵提供。實驗用自來水配置后的水中總氮濃度為7.00 mg·L-1，總磷濃度為0.70 mg·L-1，氨態(tài)氮濃度為3.00 mg·L-1，CODMn濃度為40.25 mg·L-1，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）劣Ⅴ類標準。每個桶內(nèi)加入35 L 配置好的污水。實驗從5 月22 日開始到6 月26 日結束，每隔一周采一次水樣，每個桶在水面下20 cm 處采200 mL 水樣，共采5 次。采樣結束后消耗的水用配好的污水補充，因蒸發(fā)消耗的水每天用自來水補充到原水位高度。最后一次采樣結束后，將每個桶內(nèi)植物全部撈出吸取表面水分，進行稱量、烘干，計算生物量。

1.3 測定指標及方法

實驗測定的指標包括總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）、高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）和溶解氧（DO）。其中TN 用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[12]，NH4+-N 采用水楊酸分光光度法測定[12]，TP 采用ICP-OES 法直接進樣測定[13]，CODMn采用酸性高錳酸鉀法測定。

表1 植物配置實驗組設計Table 1 Submerged macrophyte combinations

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1.4.1 計算污染物的去除率

為了明確12 組實驗對水體中TN，NH4+-N，TP 和CODMn的凈化能力，進行了去除率（η）的計算：

式中，C1為初始濃度，C2為結束時的濃度。

1.4.2 綜合評價

（1）熵值法計算指標權重。通過各指標的指標值差異程度，利用信息熵，得出各指標權重[14]，計算基本步驟為：

①度量化各指標，計算第j項指標下第i個方案指標值的比重pij：

式中，m為待評價對象個數(shù)，n為評價指標個數(shù)。

②計算第j項指標的熵值ej：

式中，k＞0；ej≥0 。設k，于是有0≤ej≤1。

③計算第j項指標的差異性系數(shù)gj，即：

④計算第j個指標的權重：

（2）確定各指標數(shù)值的評分標準。各指標權重確定后，根據(jù)已有的研究[15]確定各指標數(shù)值的評分標準，見表2 所示。通過確定的各指標權重和評分可計算得到不同沉水植物組合的綜合去污能力得分，計算公式如下：

式中，S為待評價沉水植物組合的綜合去污能力得分；Wi為第i項指標綜合權重；Ri為第i項指標的評分結果。

表2 污染物去除率的打分標準Table 2 Scoring standard for pollutant removal rate

根據(jù)S值的大小，最后沉水植物組合對水體去污能力劃分為5 個等級（表2），各等級評分的變化范圍如下：{很差；較差；一般；良好；優(yōu)秀}={0.0～ 5.9；6.0～ 6.9；7.0～ 7.9；8.0～ 8.9；9.0～ 10.0}，以此得出沉水植物組合去污能力的綜合評價結果。

實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析使用IBM SPSS18.0 軟件，方差分析采用Duncan 法進行差異顯著性檢驗，最后用Origin 9.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同沉水植物組合的生長狀況

經(jīng)過35 d 的生長，植株的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和生物量均產(chǎn)生了較大的變化，不同植物組合中黑藻的長勢較好，其鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的增長基本都高于同組的其他植物。所有植物組合的合計凈增生物量變化范圍為0～ 3.89 g（表3），大小順序為C1＞ B1＞ B2＞ A6＞ B4＞ A4＞ A2＞ A3＞ A1＞ A5＞ B3，其中密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻（C1）組合中的合計凈增生物量顯著高于其他組（P＜0.05），生長速度最快。金魚藻+黑藻+伊樂藻（B3）組合中合計凈增生物量最少，植物長勢較差。

表3 不同沉水植物組合生物量的變化Table 3 Changes in biomass of different submerged macrophyte combinations

2.2 不同沉水植物組合對水體中TN 的凈化效果

實驗開始后不同處理中水體的TN 都呈下降趨勢，28 d 后稍有上升（圖1）。實驗結束時各沉水植物組合中水體的TN 濃度均顯著小于CK（P＜0.05）。其中B4和C1的凈化效果最好，實驗結束時水中的TN 濃度分別為0.97 mg·L-1和1.15 mg·L-1。經(jīng)過35 d 后，不同處理對水體中TN 的去除率依次為B4（86.13%）＞ C1（83.54%）＞A6（82.90%）＞ B2（80.89%）＞ B1（79.14%）＞ B3（78.45%）＞ A5（70.79%）＞ A3（70.42%）＞ A1（68.14%）＞A4（67.22%）＞ A2（65.61%）＞ CK（48.43%）（圖2）。

圖1 不同沉水植物組合水體中TN 的濃度變化Figure 1 Changes of total nitrogen in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖2 不同沉水植物組合水體中TN 去除率的變化Figure 2 Change of total nitrogen removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.3 不同沉水植物組合對水體中NH4+-N 的凈化效果

由圖3 可知，各處理對水體中的NH4+-N 均有顯著的去除效果（P＜0.05），并且去除趨勢幾乎保持一致。試驗結束時，所有處理組合最終濃度均低于0.63 mg·L-1，不同處理組合對水體中NH4+-N 的去除效果相差不大：C1（97.78%）＞ B1（96.89%）＞ B4（96.78%）＞ B2（96.56%）＞ B3（94.45%）＞ A6（91.67%）＞ A2（91.66%）＞ A3（91%）＞ A4（88.56%）＞ A1（87.78%）＞ A5（85.89%）＞ CK（79.00%）（圖4）。其中C1和B1的凈化效果最佳，最終水體中NH4+-N 濃度分別為0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。

圖3 不同沉水植物組合水體中NH4+-N 的濃度變化Figure 3 Changes of NH4+-N in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖4 不同沉水植物組合水體中NH4+-N 去除率的變化Figure 4 Change of NH4+-N removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.4 不同沉水植物組合對水體中TP 的凈化效果

不同沉水植物組合對水體中TP 的去除效果較明顯（圖5）。實驗結束時，TP 去除率依次是B4（85.59%）＞C1（81.26%）＞ B3（77.69%）＞ A6（76.10%）＞ B2（74.89%）＞ B1（73.78%）＞ A5（70.74%）＞ A1（63.66%）＞ A4（63.17%）＞ A3（55.10%）＞ A2（52.67%）＞ CK（25.77%）（圖6）。因此，B4和C1的凈化效果最好，實驗結束時TP 濃度分別低至0.100 9 mg·L-1和0.131 2 mg·L-1（圖5）。

圖5 不同沉水植物組合水體中TP 的濃度變化Figure 5 Changes of total phosphorus in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖6 不同沉水植物組合水體中TP 去除率的變化Figure 6 Change of total phosphorus removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.5 不同沉水植物組合對水體中CODMn 的凈化效果

不同處理對水體中CODMn的影響變化較大，實驗開始前兩周所有處理的CODMn隨著處理時間增加迅速下降，去除率基本都超過了80%，后三周所有處理的CODMn隨著處理時間增加都有小幅上升，但是去除率都維持在70%以上（圖8）。

圖7 不同沉水植物組合水體中CODMn 濃度的變化Figure 7 Changes of CODMn values in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖8 不同沉水植物組合水體中CODMn去除率的變化Figure 8 Change of CODMn removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

實驗結束時，各處理對水體中CODMn的去除效果相差不大：C1（89.63%）＞ B2（88.96%）＞ B3（88.19%）＞B1（88.17%）＞ A5（87.77%）＞ A2（87.61%）＞ A6（87.10%）＞ B4（86.97%）＞ A4（86.36%）＞ A1（80.72%）＞CK（80.72%）＞ A3（76.54%）。其中，以C1和B2對水體中CODMn的凈化效果最好，其最終CODMn的濃度分別為4.17 mg·L-1和4.44 mg·L-1（圖7）。

2.6 不同沉水植物組合凈化效果的綜合評價

試驗期間，供試的沉水植物組合在不同階段對TN，TP，NH4+-N 和CODMn的去除率均存在差異，因此，在篩選去污能力較強的沉水植物組合時，不能只將其中一個或幾個指標作為評價依據(jù)，而應該進行綜合考慮，為了對11 種沉水植物組合的凈化效果做出一個全面的整體性的評價，采用了模糊綜合評價對測定的水質(zhì)指標進行了綜合評價，運用熵值法[14]求出4 種水質(zhì)指標的權重系數(shù)為W={TN，TP，NH4+-N，CODMn}={0.400 664 357，0.567 795 568，0.012 714 037，0.018 826}。

根據(jù)以上確定的各指標權重和評分標準，經(jīng)公式[15]計算得到不同沉水植物組合的綜合評價結果如表5。由表5 表明，B4（密刺苦草+黑藻+伊樂藻）和C1（密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻）的凈化效果最好，A3（密刺苦草+伊樂藻）和A2（密刺苦草+黑藻）對水體中污染物的凈化效果較差。

表5 11 種沉水植物組合對水體中污染物凈化能力的綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation on purification capacity of 11 submerged plant combinations in eutrophic water

3 討論

本研究結果表明，密刺苦草、金魚藻、黑藻和伊樂藻不同組合對水體中TN，TP 均有較好的凈化效果，并且實驗期間所有沉水植物組的氮磷去除率均顯著高于CK。不同組合處理組水體中TN，TP 最終去除率的范圍分別為65.62%～ 86.14%和52.10%～ 85.59%。本次實驗水體中磷的去除主要依靠植物直接吸收、吸附和沉淀作用等途徑去除[16-17]，而水體中氮的去除除了這些途徑外，還存在氨的揮發(fā)、硝化和反硝化等途徑[8,18]。實驗期間各植物處理組水體中TN 濃度一直呈下降趨勢但在最后一周稍有上升，可能是因為實驗期間水體中的氮主要通過植物吸收、微生物降解、物理作用等途徑去除，同時沉水植物光合作用消耗水中CO2，導致pH 值升高，OH-與水體中NH4+-N 結合，使氨態(tài)氮以氨氣的形式吹脫，氨態(tài)氮濃度急劇下降，TN 也呈現(xiàn)下降趨勢[19]。實驗后期，位于水體下半部分的植物因受到上半部分其他植物的遮蔽，光合作用受到影響，生長速度較慢，甚至出現(xiàn)了葉片凋零的現(xiàn)象，造成了水體中TN 濃度的升高。CK 水體中TN 和NH4+-N 的去除主要通過吸附、沉降等物理作用及氨的揮發(fā)作用。實驗期間，各處理組水體中TP 濃度隨處理時間增加均呈下降的趨勢，植物處理組合主要通過沉水植物分泌助凝物質(zhì)加速吸附沉降水體中的懸浮顆粒態(tài)磷，同時植物生長吸收固定了部分磷元素[17]，使TP濃度迅速降低。CK 水體中的TP 主要是通過筒壁、石頭和漁網(wǎng)的吸附及沉淀等物理作用去除。實驗初始，由于投加的葡萄糖為低分子有機碳源，容易被氧化分解，易被反硝化細菌和聚磷菌利用，所以第7 天時，各處理組的CODMn迅速下降，同時有機物的加速分解也引起了溶解氧濃度的降低，實驗中后期部分沉水植物處理組水體中的CODMn有所上升，這主要是由于沉水植物根腐爛與分解及微生物代謝會產(chǎn)生一定量的有機物[20]，致使水體中CODMn濃度增加，進而導致去除效果受影響。

本研究結果表明，4 種沉水植物組合的11 種方式中，以B4和C1的綜合凈水效果較好。一方面是水體中污染物去除率可能與沉水植物凈增生物量密切相關，將不同種類的沉水植物進行組合，植物能夠在上下立體空間生長，增加等面積水域的生物量，沉水植物表面附著的微生物數(shù)量增加，促進根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化等作用，提高凈化效果[21-22]。另一方面可能與植物多樣性有關。多種沉水植物組合時，可以相互補充水體對污染物的不同處理功能，有利于實現(xiàn)水體的完全或半完全自我循環(huán)，對污染物的凈化效率更高，凈化效果也更穩(wěn)定[23]。本次實驗中C1的凈增生物量顯著高于其他組，可能與生物多樣性有關。Laughlin 和Sutton-Grieret 等[24-25]的研究表明植物多樣性能促進植物生物量、微生物氮固持的增加，最終強化基質(zhì)中硝化作用和反硝化作用，與本文的研究結果相符合。B4組凈增生物量為2.64 g 與C1的3.89 g 也相差不多，而且不同處理組中黑藻的凈增生物量均高于其他植物（表3）。一些研究表明[26-27]，黑藻的耐污能力強，生長速度快，可快速吸收營養(yǎng)鹽用于自身生長，黑藻對氮、磷的去除能力較強。伊樂藻、黑藻同屬于水鱉科Hydrocharitaceae多年生沉水植物，二者具有相似的營養(yǎng)體形態(tài)，速生高產(chǎn)，其斷枝繁殖能力強，環(huán)境適應性強，具有較強的水質(zhì)凈化功能，已經(jīng)被廣泛的應用于湖泊生態(tài)環(huán)境的治理和水生植物群落的恢復中[28]。時志強等[29]研究表明，苦草V.natans發(fā)達的根系有利于固定沉積物，防止顆粒物質(zhì)再懸浮，提高水體透明度，為沉水植物的生長提供充足的光照和良好的水下光環(huán)境，根系泌氧，改善水體的厭氧狀態(tài)，提高了微生物的降解轉化作用。密刺苦草與苦草同為苦草屬Vallisneria，形態(tài)特征相似，也具有上述的功能特性。B4和C1的綜合凈化能力較強，可能是由于不同沉水植物各物種間產(chǎn)生了互補效應。一些研究結果表明[30-31]，多樣性也能夠使各物種間產(chǎn)生互補效應，增強對資源利用的完全程度，與本文的觀點相符。劉淼等[32]研究也表明將苦草，輪葉黑藻Hydrilla verticillata，穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum進行植物配置后對沉水植物塘水質(zhì)的凈化效果更好。李歡等[33]研究4 種挺水植物、4 種沉水植物及其組合群落對富營養(yǎng)化水體的凈化效果的實驗中表明，與單由挺（沉）水植物組成的群落相比，混合群落生長和生態(tài)功能都具有一定的增強效應。

從植物生長狀況和水體綜合去污能力等方面考慮，在富營養(yǎng)化水體修復時可優(yōu)先考慮B4和C1。本次研究結果對富營養(yǎng)化水體修復中植物配置和生態(tài)工程應用方面都具有一定的參考價值。但室內(nèi)靜水條件與野外自然條件仍存在較大差異，在野外沉水植物的生長及水體中各物質(zhì)含量會受到氣候、水流和水生動物等方面的影響，而且本次試驗是在靜態(tài)環(huán)境中的短期實驗，所以在實際應用中還有待進一步的觀察。

4 結論

密刺苦草、金魚藻、黑藻和伊樂藻4 種沉水植物所組成的11 種組合中，沉水植物在富營養(yǎng)化水體中均能正常生長，不同沉水植物組合對水體中污染物的去除效果較好。11 種組合中植物長勢最好，凈增生物量最多的組合為C1（密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻），最終凈增生物量為3.89 g。不同沉水植物組合對水體中TN，TP的凈化效果最好的是B4（密刺苦草+黑藻+伊樂藻）和C1，去除率分別為86.14%，83.52%和85.59%，81.26%。C1和B1對NH4+-N 的凈化效果最好，最終NH4+-N 濃度為0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。對水體中CODMn去除效果最好的組合為C1和B2（密刺苦草+金魚藻+伊樂藻），去除率達到了89.63%和88.96%。綜合評價結果表明，對富營養(yǎng)化水體中污染物能力較強的組合為B4和C1。